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武漢紡織大學《Adv. Funct. Mater.》：受駝峰啟發的層級結構織物，實現面料兼備熱防護和熱濕管理

2023-01-19 來源：高分子科技

防護服是消防員在極端火災環境中保障生命健康的重要屏障，然而，由于長時間的高溫環境以及高強度工作，人體產生的大量汗液將直接影響個人的健康以及工作效率。目前市面上的商業防護面料往往致力于單一的熱防護性能提升，在熱濕舒適方面缺乏有效調控。因此，開發一種既能阻擋外界極端熱的入侵，又能通過汗液調控緩解人體過熱的防護服，是亟需解決的難題。

近期，武漢紡織大學徐衛林院士、張騫博士與蘇州大學方劍教授在期刊《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202212626）上發表了題為“Hump-Inspired Hierarchical Fabric for Personal Thermal Protection and Thermal Comfort Management”的論文。該工作受駝峰啟發，通過層級復合結構和單向導濕織物設計，解決了長期以來個人熱防護和熱濕舒適管理難以兼容的難題。在自然界中，駝峰是駱駝獨有的一種近乎完美的保護屏障，能夠長時間避免駱駝受沙漠白天極端熱環境的影響。其中，駝峰內部脂肪的隔熱性能抑制外界熱量的輸入，同時，其周圍分布的汗腺通過調節汗液流動的方向，避免駱駝進一步發生過熱現象（圖1A）；因此，駝峰中自然形成的內部脂肪和汗腺集成功能使得駱駝能夠長期生存在熾熱高溫的沙漠地區。受駝峰結構啟發，課題組通過熱軋處理和超聲波焊接將陣列式隔熱單元和異型芯吸通道整合在一起，設計了一種具有仿駝峰結構的層級織物（HHF）（圖1B）。

圖1. HHF的功能結構設計示意圖和工作機制

與商用防護面料相比，該HHF的層級結構設計賦予了防護服面外方向超低的導熱性（0.0192 W m^-1 K^-1），實現極端火災環境中超高的熱防護性能（圖2A-B）；同時，HHF中耦合的異型芯吸通道賦予的單向導濕功能實現了人體所需的熱濕舒適性（圖3A-C）。模擬皮膚實驗結果表明，該仿生消防織物在極端條件下（~80℃）的底部溫度和相對濕度分別比傳統消防服低~20.6 ℃（圖2D）和~13.6 %（圖3E）。

圖2. HHF的熱防護性能（CFU-14,CFU-97為商業化產品）

圖3. HHF的汗液調控性能

研究人員對HHF進行了實際的防護和汗液調控性能測試。將HHF纏繞在假人胳膊上，用丁烷噴槍（火焰溫度1500 ℃）驗證其防護性能（圖4A）。火焰灼燒后的面料依然保持原有顏色和狀態。實際人體汗液調控（圖4B）結果顯示，在相同條件下，HHF下層的皮膚濕度遠低于傳統的商業化防護面料（圖4C）。這些結果突出了HHF在極端火災中個人防護的巨大應用潛力。

圖4. HHF的實際場景測試

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202212626

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（責任編輯：xu）

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